재료·신소재/화학/환경·에너지

Nikkei Monozukuri_2024.5 (p20~23)

상업 운행 열차에서 '세계 최초' 초전도 송전 실현
인력 부족에도 효과가 있는 이유

철도종합기술연구소(도쿄)와 이즈하코네철도(伊豆箱根鉄道, 시즈오카 현)는 3월 21일, 이즈하코네철도 순즈센(駿豆線) 오히토(大仁)역(시즈오카 현)에 설치한 ‘초전도 급전 시스템’을 공개했다. 전차를 움직이는 전력을 초전도 케이블로 공급하는 시스템으로, 상업 운행 열차에 적용하는 것은 “세계 최초”(철도종합기술연구소)라고 한다.

철도종합기술연구소는 지금까지 복수의 철도 회사들과 함께 막차 후나 첫차 전에 시스템 검증을 실시해왔다. 개발한 기술에 대해 2023년 3월, 국토교통성으로부터 철도의 기술 기준을 충족하고 있다는 취지의 인가를 받아 상업 운행 열차에서의 운용 검증을 이즈하코네철도와 공동으로 개시했다.

성능이 높은 소형 냉동기, 초전도 케이블과 금속 케이블을 접속하는 장치 등의 개발을 통해 요소 기술은 거의 갖추어졌다. “복수의 철도 회사들로부터 도입 장소와 규모에 대한 요망이 있었다. 이에 대응하는 데 있어서 시스템의 용량을 확장하는 등의 기술개발은 아직 남아 있지만, 실제로 운용할 수 있는 신뢰성을 확립한 것은 매우 큰 진전이다”(철도종합기술연구소의 도미타(富田) 연구실장)라고 한다

-- 변전소 축소가 가능 --
초전도 케이블 이용의 직접적인 메리트는 송전 낭비를 줄일 수 있다는 것이지만, 실제로는 이에 수반되는 “변전소 축소·집약 효과가 오히려 크다”(도미타 연구실장). 순즈센과 같은 직류 전화(電化)는 교류 전화에 비해 변전소에서 전차로 보내는 전류가 크고, 옴의 법칙에 의해 금속제 전선의 미세한 저항으로도 전압 강하가 크게 발생하기 때문에 실제 사용시에는 수 킬로미터의 범위에서만 전압을 유지할 수 있다.

이 범위에서 2배 이내의 간격으로 변전소를 배치할 필요가 있으며, 설치와 유지보수에 비용과 인력이 소요된다. 철도종합기술연구소에 따르면 일본의 JR 재래선(신간센철도 이외의 철도)의 36.4%, 민영 철도의 71%가 직류 전화 구간이라고 한다.

도미타 연구실장은 설명회에서 순즈센에 3개 있는 변전소(미시마(三島), 바라키(原木), 오히토) 중 “예를 들면, 중간에 있는 바라키 변전소를 없애는 것도 생각할 수 있다”라고 설명했다. 단순하게 바라키 변전소를 없애기만 한다면 그 부근은 다른 변전소로부터 멀기 때문에 전차에 충분한 전압으로 전력을 공급할 수 없다.

그러나 미지마 또는 오히토 변전소에서 바라키 변전소까지 초전도 케이블을 부설하고 그 말단을 가선에 연결하면 바라키 변전소가 존재할 때와 동일한 전압을 유지할 수 있다. 변전소의 용량 조정은 필요하지만, 변전소의 수가 줄면 유지보수의 코스트를 절감할 수 있어 인력 부족 문제에 대한 대책이 된다.

“순즈센에서도 과거에 변전소의 배치나 용량을 변경하는 검토 및 개선을 실시한 적이 있다. 이러한 검토는 이즈하코네철도뿐만 아니라, 모든 철도 회사들이 항상 검토하고 있는 공통 과제이다”라고 도미타 연구실장은 지적한다. “철도 회사에게 지금 가장 큰 문제는 인력 부족으로 인해 유지보수를 잘 진행할 수 없다는 것. 그 번거로움을 간소화하는 것이 우리의 몫이다”라고 역설한다.

향후 본격적인 도입을 위해서는 철도 회사의 수요에 맞춰 규모와 거리(케이블의 길이) 확대 등이 필요하게 된다. 규모의 경우, 소규모 시스템으로 충분하면 현재의 기기를 그대로 사용할 수 있지만, 대용량일 경우에는 대응이 필요하다고 한다. 케이블의 길이에 대해서는 “현재 장거리의 실험을 실시하고 있으며, 그 결과는 추후 널리 공개하고 싶다”(도미타 연구실장)라고 한다.

통상적인 전선에서 송전 낭비는 거리가 길수록 증가하기 때문에 초전도 케이블 도입 시에 얻을 수 있는 송전 낭비 저감 효과도 송전하는 거리가 길수록 크다. 송전 낭비 저감을 통해 냉동기 운전 코스트 등을 공제한 수지를 흑자로 하기 위해서는 “케이블의 길이가 1km 이상 필요하다”라고 도미타 연구실장은 추산하고 있다. 하지만 냉동기의 효율 개선이 추진되면, 좀더 짧은 거리에서도 메리트를 얻을 수 있을 것이라고 한다.

-- 102m의 초전도 케이블로 송전 --
순즈센과 오히토역이 검증의 장소가 된 이유는 여유 공간이 있어 설비 설치가 용이하다는 점이 컸다고 한다. “이즈하코네철도의 협력을 얻을 수 있었던 점은 물론, 역 가까이에 변전소가 있어 선로를 따라서 케이블 부설이 용이했다. 이러한 장소는 좀처럼 찾기 어렵다”(도미타 연구실장). 이번 시스템을 설치한 공간의 일부는 2015년에 길이 6m의 초전도 케이블을 연결해 첫차 전에 시험 열차를 주행시켰을 때에도 사용한 장소이다.

검증 시스템에서는 오히토역 하행선의 외측에 있는 오히토 변전소에서 전선으로 향하는 케이블을 분기시켜, 통상적인 구리선 케이블로 초전도 케이블의 전류 단말 장치까지 전류가 이르도록 한다. 전류 단말 장치는 상온의 구리선과 내부 온도가 약 76K(켈빈, 약 -197℃) 이하의 초전도 케이블 사이에서 전류를 전달하는 장치로, 초전도 케이블의 양 끝에 설치된다.

오히토 변전소와 가까운 쪽의 전류 단말 장치는 오히토 변전소로부터 남쪽으로 십 수 미터 떨어진 장소에 설치되어 있으며, 같은 장소에 액체 질소의 냉동기, 펌프, 유량계도 설치되어 있다.

초전도 케이블은 이 전류 단말 장치를 기점으로 북쪽 방면으로 뻗어 있으며, 또 하나의 전류 단말 장치까지 102m를 연결한다. 북쪽 방면의 전류 단말 장치로 초전도 케이블의 전류를 구리선이 이어받고, 이 구리선이 가까이에 있는 가선주를 통해 급전선에 연결된다. 이 부근에서 북쪽 방면과 바라키 변전소까지의 구간을 주행하는 전차가 주로 초전도 케이블을 통과한 전류를 전달 받아 움직인다.

급전선과 오히토 변전소를 연결하는 기존의 배선도 남아 있어 초전도 케이블 경유의 배선과 병렬로 급전한다. 남쪽 방면의 전차를 움직이는 전류는 주로 기존의 배선을 경유해 흐른다.

-- 에너지 절약 효과 등의 데이터를 취득 --
초전도 케이블은 안쪽부터 액체 질소의 통로, 초전도 선재의 통전(通電)층, 액체 질소의 통로가 있고, 이것이 단열관에 들어 있다. 단열관에는 진공 단열층과 방사열을 차단하는 알루미늄 포일이 설치되어 있다. 통전층의 재질은 구리산화물 초전도체로, 케이블 제작은 공동 연구를 하고 있는 대형 전선 제조사가 담당한다고 한다. 철도종합기술연구소는 국가 프로젝트 등을 통해 복수의 대형 전선 제조사들과 협력 관계에 있다.

이번에 부설한 초전도 케이블의 길이는 102m에 불과하기 때문에 에너지 절약 효과보다 냉동기 운전으로 소비되는 에너지가 더 많지만, 케이블이 긴 경우에 어떤 효과를 얻을 수 있는지를 계산하기 위한 기초 데이터를 얻을 수 있다. 검증에서는 이러한 데이터의 취득과 전동차 주행에 의한 전류의 급격한 변화 등으로 인해 시스템에 이상이 생기지 않는지 등을 확인하는 것이 목적이다.

철도종합기술연구소는 시스템의 상태를 설명하기 위한 모니터 화면도 공개했다. 초전도 케이블 양 끝의 전류와 전압 외에 냉동기와 펌프에서 초전도 케이블로 송출되는 액체 질소의 온도와 압력 등이 표시되었다. 가속하는 전차가 있을 때에 전류치가 커지는 모습 등도 표시되었다.

초전도 케이블로의 통전은 3월 13일에 개시해 22일 이후 일단 중지. 점검한 후 재개해 올해 안에 검증을 진행할 예정이다.

 -- 끝 –

Copyright © 2020 [Nikkei Monozukuri] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.